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高光谱相机原理是什么?高光谱相机原理图解

来源:赛斯拜克 发表时间:2024-02-29 浏览量:246 作者:

高光谱成像技术是将传统的二维成像技术和光谱技术有机结合在一起从而获得数据立方体的一门新兴技术,具有空间可识别性、超多波段、光谱分辨率高以及图谱合一等优点,可应用于大气、食品、药品安全检测等领域。快照式高光谱成像技术是高光谱成像技术的一种,该技术通过一次拍照即可获取目标二维空间和一维光谱的全部信息,具有成像速度快,可进行实时监测等突出优点。

高光谱成像技术原理

高光谱成像技术是将传统的二维成像技术和光谱技术有机结合在一起从而获得数据立方体的一门新兴技术,具有空间可识别性、超多波段、光谱分辨率高以及图谱合一等优点,可应用于大气、食品、药品安全检测等领域。快照式高光谱成像技术是高光谱成像技术的一种,该技术通过一次拍照即可获取目标二维空间和一维光谱的全部信息,具有成像速度快,可进行实时监测等突出优点。

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什么是高光谱成像?

高光谱成像(Hypespectral):是一种可以捕获和分析一片空间区域内逐点上光谱的精细技术,由于可以检测到单个对象不同空间位置上的独特光谱“特征”因此可以检测到在视觉上无法区分的物质。

 

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图2 高光谱波段示意图

物体与光源的光相互作用并被非成像光谱分析设备(比如光谱仪)接收后,设备可以精确地反应出接收到的光信号在光谱频带上分布的强度差异也就是光谱信息。


而使用高光谱设备时,从成像特性角度看,可以了解到样品各个位置的光谱信息,从光谱特性角度看,可以了解在特定光谱带内的信号位置分布,也就是说,高光谱设备可以获取更加丰富的细节信息。
例如:人眼只能接收三个光谱频段中物体的光能量信号:红色,绿色和蓝色。也就是我们常称的发光三原色,但是事实上我们能够看到由这三种颜色的组合产生的橙色,紫色,青绿色等等的更细微的色彩。但是,我们并不不能区分纯黄色和红绿二色的混合色的差异,这也称之为“同色异谱”。但是高光谱成像却可以轻松分辨其中的区别。


 

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图3 高光谱成像与颜色成像的区别

 


上图,两种黄色,一种是“纯色”,另一种是红色和绿色的混合物,在视觉上可能无法区分,但由于它们的光谱差异,使用光谱设备却可以将其区分。
我们在进行试验的时候,使用光谱仪得到的数据代表在整个被探测范围内同入射光源相互作用的所有分子发出的光的平均值;而使用多光谱设备可以获取被探测范围内各点在几个特定频带上样品信息。因此,这两种设备均无法提供单个区域内非常精细的样品信息。
 


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图4 多光谱、高光谱、超光谱相机的种类

 


高光谱相机又称为高光谱成像光谱仪,是集光谱采集和目标成像于一体的探测设备,利用成像光谱技术能够在连续光谱波段上对同一目标进行光谱成像,完成对该目标空间、辐射和光谱三重信息的整合,极大地提升了目标观测的信息维度。目前,高光谱相机 已广泛应用于资源普查、环境监测、军事防御等多个领域。 


根据分光原理的不同,现有的高光谱相机主要分为三类:色散型、干涉型和滤光片型。

色散型高光谱相机一般先利用色散元件 (光栅或者棱镜) 进行分光, 再经由成像系统成像在探测器上 ;

干涉型高光谱相 机主要是利用干涉图与光谱图之间的对应关系,借助 干涉仪来测量谱线元的干涉强度,并对干涉图进行逆傅里叶变换得到目标的光谱图;

滤光片型高光谱 相机则是在成像光路中加入滤光片进行分光,根据滤光片的不同,滤光片型高光谱相机又可以细分为旋转滤光片型、楔形滤光片型、可调谐滤光片型和量子点滤光片型。下图所示为前三种滤光片高光谱相机的原理示意图。基于滤光片型的高光谱相机具有系统结构形式简单、体积小、质量轻、空间分辨率高、灵活性好等优点。


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  图5 高光谱成像原理示意图


高光谱相机成像一共有一下四种原理:

1、点扫描:就是一次获得一个点的光谱数据,成像设备是个分光仪,可以用在卫星上,需要两个方向的自由度;
2、线扫描:就是一次获得一个线上的光谱数据,成像设备是个光谱仪和灰度相机,由于光谱分辨率高,成像比较快,目前应用最多;
3、光谱扫描:就是一次获得一个波段的图像,成像设备是个可调节的滤光片和灰度相机;
4、快照:就是一次获得一个立体的高光谱图像,目前应用比较多的是通过多通道的滤光片来实现,成像快,但是光谱分辨率低。

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遥感成像原理: 

光进入相机镜头,光电感应装置将光信号转换为电信号,量化电脉冲信号,记录为一个像素值。传感器响应函数设计为,要使光电感应装置产生这个电脉冲信号,光子强度必须达到一个阈值。进入镜头的光子数量取决于相机的感受野大小,镜头能通过的光子。多光谱图像要分出多个波段,镜头会分光,红滤镜只过红光,蓝滤镜只通过蓝光,假设相同的光打到全色与多光谱镜头上,显然因为滤光的缘故,多光谱感光器接收到的光子要少于全色感光器。而这些光子已经足够全色产生电脉冲,却不够多光谱产生电脉冲,这时,为了接收到更多的光子,多光谱相机需要更大的感受野。也就是说,全色看了一眼北京市,就吃够了光子,多光谱需要看一遍河北省,才能吃的和全色一样饱。后面接收光子的底片一样大,也就是说将北京市和河北省画到同样大小的一张纸上且占满整张纸,显然北京市的一张纸细节要多的多,而河北省的红绿蓝三张纸却一片模糊。


高光谱成像原理:

物理老师说过,光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时,不同波长的光会发生不同程度的弯散传播,再通过光栅进行衍射分光,形成一条条谱带。也就是说:空间中的一维信息通过镜头和狭缝后,不同波长的光按照不同程度的弯散传播,这一维图像上的每个点,再通过光栅进行衍射分光,形成一个谱带,照射到高光谱仪上,仪器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段,一条线就对应一个谱面。因此高光谱仪每次成像是空间一条线上的光谱信息,为了获得空间二维图像再通过机械推扫,完成整个平面的图像和光谱数据采集。


当然,好马配好鞍,高光谱成像,就得用好的设备。

高光谱相机:赛斯拜克SINESPEC SP130M

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高光谱相机(线扫描) SPX系列光谱范围:400-1700nm 光谱波段:256-1200 光谱分辨率:2.5nm-6nm 狭缝宽度:25-30um

SineSpec®SPX系列高光谱相机包含可见光(400-700nm)、近红外(400-1000nm)和短波近红外(900-1700nm)3种光谱区域,特点:范围广采集速度快。广泛应用于印刷,纺织等各种工业制品的表面颜色纹理检测(颜色测量单像素重复性可达dE*ab<0.1),成分识别,物质鉴别,机器视觉,农产品品质等领域。


可见近红外高光谱相机SP130M技术参数

高光谱相机
型号SP100MSP120MSP130MSP150M
参数可见光高光谱相机可见近红外高光谱相机可见近红外高光谱相机近红外高光谱相机
分光方式透射光栅透射光栅透射光栅透射光栅
光谱范围400-700nm400-1000nm400-1000nm900-1700nm
光谱波段数600(1x),300(2x),150(4x)1200(1x),600(2x),300(4x)1200(1x),600(2x),300(4x)256
光谱分辨率优于2.5nm优于2.5nm优于2.5nm优于6nm
狭缝宽度25µm25µm25µm30µm
透射效率>60%>60%>60%>60%
F数F/2.6F/2.6F/2.6F/2.0
探测器CMOSCMOSCMOSInGaAs
空间像素数1920(1x),960(2x),480(4x)1920(1x),960(2x),480(4x)1920(1x),960(2x),480(4x)320
像素尺寸5.86 µm5.86 µm5.86 µm30 µm
有效像素位深12bits12bits12bits14 bits
采集速度全谱段≥41fps全谱段≥41fps全谱段≥128fps全谱段≥300fps

ROI后可实现390HzROI后可实现390HzROI后可实现3300Hz
视场角(FOV)15.6°@f=35mm15.6°@f=35mm15.6°@f=35mm15.6°@f=35mm
瞬时视场角(IFOV)0.71mrad@f=35mm0.71mrad@f=35mm0.71mrad@f=35mm0.85mrad@f=35mm
SNR(PEAK)600/1600/1600/1600/1
杂散光<0.5%<0.5%<0.5%<0.5%
数据接口USB 3.0USB 3.0USB 3.0GigE
镜头接口C-MountC-MountC-MountC-Mount
可选镜头焦距8mm/16mm/25mm/35mm8mm/16mm/25mm/35mm8mm/16mm/25mm/35mm8mm/16mm/25mm/35mm
供电12 V DC12 V DC12 V DC12 V DC
功耗<3w<3w<3w<5 W(TEC off)/<12 W(TEC on)
工作温度‘0-40℃‘0-40℃‘0-40℃‘0-40℃
存储温度‘0-50℃‘0-50℃‘0-50℃‘0-50℃
软件采集软件+SDK采集软件+SDK采集软件+SDK采集软件+SDK
包装定制包装箱定制包装箱定制包装箱定制包装箱



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